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V-M 双闭环不可逆直流调速系统设计
赵羿伟*
作者简介：赵羿伟（1988-），男，硕士，控制理论与控制工程
（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008）
摘要：本文所论述的是“转速、电流双闭环直流调速系统转述单闭环直流调速系统的主电路
设计与研究”。主电路设计是依据晶闸管-电动机（V—M）系统组成，其系统由整流变压器
TR、晶闸管整流调速装置、平波电抗器 L和电动机-发电机组等组成。整流变压器 TR和晶
闸管整流调速装置的功能是将输入的交流电整流后变成直流电；平波电抗器 L 的功能是使
输出的直流电流更平滑；电动机-发电机组提供三相交流电源。
关键词：直流调速；晶闸管；双闭环
中图分类号：TP2
V-M double closed loop irreversible cocurrent velocity
modulation system's design
ZHAO Yiwei
(School of Information and Electrical Engineering,CUMT, JiangSu XuZhou 221008)
Abstract: What this article elaborates is “the rotational speed, the electric current double closed loop
cocurrent velocity modulation system rephrases in own words the single closed loop cocurrent velocity
modulation system's main circuit design and the research”. The main circuit design is rests on the
thyristor - electric motor (V-M) the system composition, Its system by rectification transformer TR, the
thyristor rectification speeder, flat wave reactor L and the electric motor - power set and so on is
composed. After rectification transformer TR and the thyristor rectification speeder's function is the
alternating current rectification which, inputs turns the direct current; The flat wave reactor L function
is causes the output the direct current to be smoother; The electric motor - power set provides the
three-phase AC power source
Key words: direct-current velocity modulation;thyristor;double closed loop
0 引言
直流调速系统，特别是双闭环直流调速系统是工业生产过程中应用最广的电气传动装置
之一，广泛地应用于轧钢机、冶金、金属切削机床等许多领域的自动控制系统中[1]。许多生
产机械要求在一定的范围内进行速度的平滑调节，并且要求具有良好的稳态、动态性能。而
直流调速系统调速范围广、静差率小、稳定性好以及具有良好的动态性能，在高性能的拖动
技术领域中，相当长时期内几乎都采用直流电力拖动系统。双闭环直流调速系统是直流调速
控制系统中发展得最为成熟[2]，应用非常广泛的电力传动系统。它具有动态响应快、抗干扰
能力强等优点。随着社会化大生产的不断发展，电力传动装置在现代化工业生产中的得到广
泛应用，对其生产工艺产品质量的要求不断提高，这就需要越来越多的生产机械能够实现制
动调速，因此我们就要对这样的自动调速系统作一些深入的了解和研究。它通常采用三相全
控桥式整流电路对电动机进行供电，从而控制电动机的转速[3]。本文的目的在于对双闭环
V-M 不可逆直流调速系统的设计，包括 ACR 和 ASR。以及对双闭环调速系统动态抗扰性能
分析。
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1 双闭环直流调速系统的介绍
双闭环（转速环、电流环）直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动
系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点[4]。
双闭环直流调速系统的原理框图
图 1 双闭环直流调速系统原理框图
Fig. 1 Double Loop DC Speed Control System Block Diagram
双闭环直流调速系统的稳态结构图
图 2稳态结构图
Fig. 2 Steady-state structure
双闭环直流调速系统的数学模型
双闭环控制系统数学模型的主要形式仍然是以传递函数或零极点模型为基础的系统动
态结构图。图中 )(sW ASR 和 )(sW ACR 分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。
图 3 双闭环控制系统数学模型
Fig. 3 Double closed-loop control system model
U*n
α
Uct
-IdL
n
Ud0 Un
+
-
-
β
-
Ui
WASR(s) WACR(s)
Ks
Tss+1
1/R
Tl s+1
R
Tms
U*i Id
1/Ce + E
Ks
α
1/Ce
U*n Uct
Id
E
n Ud0
Un
+ +
-
ASR
+
U*i -IdR
R
β
ACR
-
Ui UPE
电压
电流检测
ASR ACR 整流触发装置 电动机 负载
速度检测
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双闭环调速系统主、控电路图
图 4双闭环调速系统主、控电路图
Fig. 4 Double Closed Loop System Lord, control circuit
2 直流调速系统各部分设计
电流调节器（ACR）的设计
（1）确定时间常数
整流滤波时间常数 Ts，三相桥式电路的平均失控时间 Ts=；电流滤波时间常数
Toi，三相桥式电路每个波头的时间是 ，为了基本虑平波头，应有（1～2）Toi=，
因此取 Toi=2ms=；电流环小时间常数 T∑i，按小时间常数近似处理，取
T∑i=Ts+Toi=。
（2）选择电流调节器结构
Tl 10
T i
= = <∑
由设计要求：σi%≤5%，而且:
因此可按典型 I 型系统设计，电流调节器选用 PI 型，其传递函数为:
WACR(s) =
is
isKi τ
τ 1+
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（3）选择电流调节器参数
ACR 超前时间常数: sTli ==τ ；电流环开环增益：要求 σi%≤5%时，应取
T i∑ = ，因此：
−==∑= siTKI
于是，ACR 的比例系数为：
40
I
s
iRKi K
k
τ
β
×= = × =×
转速调节器（ASR）的设计
（1）确定时间常数
电流环等效时间常数为2 s∑ = ；转速滤波时间常数 Ton ，根据所用测速发电
机波纹情况，取 Ton=；转速环小时间常数 nT ∑ 按小时间常数近似处理，取
nT ∑ = 2 Ton s∑ + = 。
（2）选择转速调节器结构
由于设计要求无静差，转速调节器必须含有积分环节；又根据动态要求，应按典型Ⅱ型
系统设计速度环，故 ASR 选用 PI 调节器，其传递函数为：
1( ) nASR n
n
sW s K
s
τ
τ
+=
（3）选择速度调节器参数
按跟随和抗干扰性能较好的原则，取 h=5 ，则 ASR 的超前时间常数为：
5 nhT sτ ∑= = × = ，
转速环开环增益：
222
1 −
∑
=+= s
Th
hK
n
N
于是，ASR 的比例系数
2
)1( =+=
∑ n
me
n
RTh
TChK α
β
3 双闭环调速系统动态抗扰性能分析
抗负载扰动
一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统，主要是抗负载扰
动和抗电网电压扰动的性能直流调速系统的动态抗负载扰作用最重要的动态性能是抗扰性
能[5]。由动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器 ASR
来产生抗负载扰动的作用。在设计 ASR 时，应要求有较好的抗扰性能指标。
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图 5 直流调速系统的动态抗负载扰作用
Fig. 5 DC drive system the role of dynamic reactive load disturbance
抗电网电压扰动
图 6直流调速系统的动态抗扰作用
Fig. 6 DC drive system the role of the dynamic disturbance rejection
± △Ud—电网电压波动在整流电压上的反映
在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的
延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些[6]。双闭环系统中，由于增设了电
流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反
馈回来，抗扰性能大有改善。
4 系统的调试
由于本文只进行了理论性设计，故在系统安装与调试阶段只对控制电路部分进行了
MATLAB 仿真，以分析直流电机的启动特性。系统仿真结构如图 7 所示。
α
1/Ce
U*n n Ud0
Un
+ -
ASR
1/R
Tl s+1
R
Tms
Ks
Tss+1
ACR
β
U*i
Ui
- -
E Id
α
1/Ce
U*n n
Ud0
Un
+ -
ASR
1/R
Tl s+1
R
Tms
Id Ks
Tss+1
ACR
β
U*i
Ui
- -
E
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图 7 系统仿真结构图
Fig. 7 Simulation structure
仿真结果如图 8：
图 8双闭环调速系统仿真结果
Fig. 8 Double-loop speed control system simulation results
图上部为电机转速曲线，中部为扰动电流曲线，下部为电机电流曲线。
5 结论
通过本文可知：双闭环直流调速系统在启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起
主要作用，调节启动电流保持最大，使转速线性变化，迅速达到给定值；稳态运行时，转速
负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随电流外环调节
电机的电枢电流以平衡负载电流。目前双闭环直流调速系统在现代化工业生产中的得到广泛
应用，具有广阔的应用前景。
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[参考文献] (References)
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[2] 林渭勋. 现代电力电子电路.杭州:浙江大学出版社[M],2002
[3] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统——运动控制系统(第三版)[M]. 北京:机械工业出版社，2003
[4] 莫正康. 电力电子应用技术(第三版)[M]. 北京:机械工业出版社，2000
[5] 张东力，陈丽兰.仲伟峰.直流拖动控制系统[M].北京:机械工业出版社，1999
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